OpenStack with SR-IOV

OpenStack環境でのSR-IOV活用法
IIJ Technical WEEK 2015
2015.11.13

齊藤秀喜(さいとうひでき) / TwitterID: @saito_hideki
株式会社インターネットイニシアティブ
- http://www.iij.ad.jp/
- プラットフォーム本部
システム基盤技術部
シニアエンジニア
日本OpenStackユーザ会
- http://openstack.jp/
趣味
- OpenStack, Ansible, Solaris
whoami
2

トピック
★仮想マシンの高性能化を目指して
➡ ネットワーク性能を向上させる手法 - SR-IOV
➡ OpenStackとSR-IOV
➡ SR-IOVの効果
➡ 現状の課題と将来への期待
3
本セッションでは、OpenStack管理下の仮想マシンの
ネットワーク性能を向上させる手段として
SR-IOVを活用する手法について紹介します

高性能な仮想マシン？
本セッションでは、３つの性能指標のうちネットワーク性能
にフォーカスしてお話します
(1) CPU性能/メモリサイズ
> vCPU数とメモリサイズ
(2) ネットワーク性能
> 仮想サーバ単位の帯域上限
(3) ディスク性能
> 最大 IOPS/インスタンス
[参考] 仮想サーバのスペック http://www.iij.ad.jp/biz/hosting/spec.html
4

仮想化基盤では、VMM上で仮想スイッチを稼働させ、物理
サーバのNICと仮想マシンのNICを中継する実装が一般的
➡ メリット
> 物理NICの数に影響されることなく仮想マシン
の収容効率を上げられる
> 仮想スイッチはソフトウェアであるため機能の
追加や管理が容易である
➡ デメリット
> 仮想マシンに中継する通信の量が増加すると、
仮想スイッチでの中継処理やバッファコピーに
VMMが忙殺されシステムのボトルネックとなる
仮想化基盤のネットワーク
5
VMM
VM
NIC
物理NIC 物理NIC
VM
仮想スイッチ
NIC
仮想スイッチ
NIC

チューニングをしていないデフォルト状態のCentOS 7.1の
上でLinuxBridgeを動作させ、パケットのフォワーディング
性能を計測した結果は以下の通り
RFC2544 Throughput (bidirectional)
Throughput(Mbit/s)
0
750
1,500
2,250
3,000
Reference Packet Length (bytes)
64 128 256 512 1024 1280 1500
Baremetal(CentOS7.1 Default)
LinuxBridge (CentOS7.1 Default)
6
注)
ロスなく転送できる最大レートを
トラフィックジェネレータを利用
して計測した結果です。

仮想化基盤のネットワーク性能向上
一般的に実現可能な技術を利用して、仮想化基盤でのネット
ワーク性能を向上させるためのアプローチは大きく2種類
(1) 仮想スイッチをバイパスする技術
> PCIパススルー
(2) 仮想スイッチを徹底的に速くする技術
> 仮想スイッチ + Intel DPDK
7
以降では、(1)について少し掘り下げてお話します

物理NIC
仮想スイッチをバイパスする技術
VMM
VM
NIC
物理NIC 物理NIC
VM
仮想スイッチ
NIC
仮想スイッチ
NIC
VMM
VM
NIC
VM
NIC
Intel VT-d
AMD IOMMU
PCI Express
物理NIC 物理NIC
VMM
VM
NIC
VM
NIC
VF
NIC
Intel VT-d
AMD IOMMU
VF PF
仮想スイッチ
PCI Express
VF
VF VF VF
仮想スイッチモデル PCIパススルーモデル SR-IOVモデル
8

• Single Root I/O Virtualization (SR-IOV)の略
• PCI Special Interest Group(PCI-SIG)が仕様を策定
• PCIデバイスを多重化して仮想マシンにパススルー接続する技術の
業界標準
Single Root I/O Virtualization
+
Intel VT-X/VT-d または AMD IOMMU 拡張
をサポートするホストハードウェア
SR-IOV機能を持つPCIデバイス
9

SR-IOVモデル: 特徴
SR-IOVモデルの特徴をメリット・デメリットで分類すると…
○ 仮想スイッチをバイパスするため、VMMに負荷をかけることなく仮想
マシンが外部と通信可能
○ 従来のPCIパススルーでは、物理NIC:仮想マシンが1:1の関係だったが、
SR-IOVでは1:N (ixgbeでは最大63)。
☓ PCIバスと仮想マシンの関係を定義・管理する仕組みが必要となる。(人
力では無理)
☓ LiveMigrationのように箱を移動させる際には注意が必要
△ 仮想化基盤が提供するセキュリティグループのような、仮想マシンを守
るための技術を一部利用できなくなる
10

SR-IOVモデル: 関連する技術
11
Receive
Side
Scaling
MSI/
MSI-X
VM
VMM
NIC
MultiQueue
VT-x/
VT-d
PCI
パススルー
IaaS
PCI-
Express
PF/VF
Driver
CPU
Pinning
NUMA
CPU
MultiCore
SR-IOV
HardwareSoftware
NIC
Ofﬂoad
Engine
さまざまな技術の積み重ね

SR-IOVモデル: キーワード
SR-IOV機能を持つPCIデバイスはPFとVFという2つのファン
クションを持っています
➡ 物理ファンクション(PF)
母艦となるVMMからは、通常のPCIデバイスとして
見えている。
デバイスドライバロード時にPFに対してVFを割り
当てることによりNICのSR-IOV機能を有効化する。
➡ 仮想ファンクション(VF)
VFは、PCIデバイスと仮想マシン間のデータ転送の
みを処理する。
SR-IOV機能をもったPCIデバイスは、1つのPFにつ
き複数のVFを切り出すことが可能。
12
物理NIC
VMM
VM
NIC
VM
NIC
VF
NIC
Intel VT-d
AMD IOMMU
VF PF
仮想スイッチ
PCI Express
VF
VF VF VF

解説:
SR-IOVを利用する

SR-IOVを利用するまでの流れ
CentOS 7.1をインストールした環境で、Intel X540カード
のSR-IOVを有効化して利用する流れは以下の通り
1. サーバHWでSR-IOVを有効化
2. 起動時のカーネルパラメータでIOMMUを有効化
3. VFの分割数を指定してixgbeドライバをロード
4. VFに割り当てられるPCIバスを仮想マシンにパススルー接続する
14

サーバHWの設定でSR-IOVを有効化
# modprobe ixgbe max_vfs=8
[ 54.227092] ixgbe 0000:03:00.0: not enough MMIO resources for SR-IOV
[ 54.234257] ixgbe 0000:03:00.0 (unregistered net_device): Failed to enable PCI sriov: -12
[ 55.419649] ixgbe 0000:03:00.1: not enough MMIO resources for SR-IOV
[ 55.426811] ixgbe 0000:03:00.1 (unregistered net_device): Failed to enable PCI sriov: -12
15
サーバHWでのSR-IOV
有効化を忘れずに

IOMMUの有効化とモジュールのロード
➡ GRUB2設定変更(/etc/sysconfig/grub.conf)
> IOMMU有効化
> ixgbeモジュールのロード設定(VFを15分割/ポート)
➡ grub2設定の反映
> grub2-mkconfigコマンドで設定反映
16
GRUB_CMDLINE_LINUX="rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap console=ttyS1,115200n8
crashkernel=auto rhgb quiet intel_iommu=on"
GRUB_CMDLINE_LINUX="rd.lvm.lv=centos/root rd.lvm.lv=centos/swap console=ttyS1,115200n8
crashkernel=auto rhgb quiet intel_iommu=on ixgbe.max_vfs=15,15”
# grub2-mkconfig -o /boot/efi/EFI/centos/grub.cfg

NICドライバのロード時にVFを有効化
➡ 分割されたVFはipコマンドで確認可能
# ip link show
1: lo: <LOOPBACK,UP,LOWER_UP> mtu 65536 qdisc noqueue state UNKNOWN mode DEFAULT
[…]
648: eno49: <BROADCAST,MULTICAST> mtu 1500 qdisc noop state DOWN mode DEFAULT qlen 1000
link/ether 8c:dc:d4:b5:c9:0c brd ff:ff:ff:ff:ff:ff
vf 0 MAC 00:00:00:00:00:00, spoof checking on, link-state auto
17

VFのPCIバスIDでパススルー接続
➡ libvirtのdomain定義ファイルでVFのPCIバスを指定
<domain type='kvm' id='2'>
<name>instance-00000157</name>
<uuid>c9d9e00d-3608-414e-a71f-1574a262c29a</uuid>
…
<interface type='hostdev' managed='yes'>
<mac address='fa:16:3e:5a:84:c7'/>
<driver name='vfio'/>
<source>
<address type='pci' domain='0x0000' bus='0x04' slot='0x10' function='0x0'/>
</source>
<vlan>
<tag id='2401'/>
</vlan>
<alias name='hostdev0'/>
<address type='pci' domain='0x0000' bus='0x00' slot='0x05' function='0x0'/>
</interface>
…
18

DEMO:
SR-IOV有効化

SR-IOV使用上の注意
➡ SR-IOVは、VMMが提供する仮想スイッチをバイパスして
物理NICが提供するVFと仮想マシンを直接続する
➡ SR-IOVを利用するには、サーバ/NIC/VMMが対応してい
なければならない
➡ 管理者は、NICの物理ポート毎に複数のVFと対応するPCI
バスID、MACアドレスを常に管理する必要がある
20

活用:
OpenStackとSR-IOV

OpenStackについて
ITに必要な資源管理機能をソフトウェア制御し、必要なとき
に必要なだけ利用者に提供するCloudOSです。
> 計算機
> ネットワーク
> ストレージ
[出展] https://www.openstack.org/software/
22
あなたが思い描くインフラを
自在に構成することができる
仕組みを提供(コンセプト)

OpenStackを構成するプロジェクト群
GLANCE
NEUTRON
KEYSTONE
NOVA
CINDER
SWIFT
Core
The Big Tent
23
HORIZON
CEILOMETER
HEAT
SAHARA
DESIGNATE
TROBE
ZAQAR
IRONIC
BARBICAN

コアプロジェクト
> NOVA: 仮想マシンインスタンスの管理サービス
> SWIFT: オブジェクトストレージサービス
> GLANCE: 仮想マシン用OSイメージ管理サービス
> KEYSTONE: ユーザ認証/権限の管理サービス
> NEUTRON: IaaS基盤のネットワーク管理サービス
> CINDER: 仮想マシン用ブロックストレージサービス
24

オプションサービス
> HORIZON: Webベースのダッシュボード
> HEAT: システムレベルのオーケストレーションサービス
> CEILOMETER: 仮想リソースのメータリングサービス
> TROVE: データベースサービス
> IRONIC: ベアメタルサーバのデプロイ
> BARBICAN: 暗号化に必要な鍵管理サービス
> DESIGNATE: DNSサービス
> SAHARA: 分散データ処理サービス
> ZAQAR: メッセージキューサービス
25

アーキテクチャ
26
[出展] http://docs.openstack.org/openstack-ops/content/architecture.html
NOVA
SWIFT
GLANCE
KEYSTONE
NEUTRON
CINDER
HORIZON

今回紹介するシステム全体構成
27
CONTROLLER
VM#0 VM#1
VM#2 VM#3
COMPUTE#0
VM#4 VM#5
VM#6 VM#7
COMPUTE#0
NETWORK NODE

COMPUTE
NODE#0
SRIOVと仮想マシンの起動(概念図)
28
Client
GLANCE
COMPUTE
NODE#1
COMPUTE
NODE#2
COMPUTE
NODE#3
NEUTRON linuxbridge
agent
sriovnicswitch
agent
VM
vf
tap: virtio_net driver
vf: ixgbevf driver
tapbr
VM起動！
VMイメージを転送
ポート情報に従い
VMのNICを生成
NOVA
NETWORK
NODE
Metadata転送
COMPUTEノードを
選択してVMを起動
ポート情報をVFにマップ
SecurityGroupはtapに適用

DEMO:
OpenStackとSR-IOV

➡ NOVA
> /etc/nova/nova.confスケジューラにフィルタを追加
➡ NEUTRON
> /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini でSR-IOV関連設定を追加
CONTROLLERの設定(抜粋)
30
scheduler_available_filters = nova.scheduler.filters.all_filters
scheduler_default_filters = RetryFilter,AvailabilityZoneFilter,RamFilter,ComputeFilter,
ComputeCapabilitiesFilter, ImagePropertiesFilter, PciPassthroughFilter
[ml2]
mechanism_drivers = linuxbridge,sriovnicswitch
tenant_network_types = vlan
type_drivers = vlan
[ml2_sriov]
agent_required = True
supported_pci_vendor_devs = 8086:10ed
PCIバスのvendor_id,product_idでVMを起動するVMMを選定
sriovnicswitchではl3/dhcp/metadata agentが
必要とするnetnsをサポートしない。そこで、
linuxbridge agentと併用する(OVS agentでも可)

➡ キーポイント
SR-IOVのVF情報は、CMDBではなく
設定ファイル(nova.conf)で管理する。
➡ NEUTRON-ML2 Driver
cloud-initなどで、NOVAのMetadata
を利用したい場合は、
(A) SRIOVNIC Agent
(B) LinuxBridge or OVS Agent
を併用することとなる。
VM(M) LinuxBridge
NIC0
VF0
LinuxBridgeVM(M)VF1
NIC1
VF2
VF3
VLAN
VLAN
VFn
PF
Compute00
linuxbridge-agent
sriov-nic-agent
intel X540/82599
COMPUTEの構成(Intel X540の場合)
31
Network Node
VMMではixgbe driverをロード
VMではixgbevf driverをロード
Intel X540では最大63分割
0 - 15 VF: 最大8トラフィッククラス
16 - 31 VF: 最大4トラフィッククラス
32 - 63 VF: 1トラフィッククラス

➡ NOVA
> /etc/nova/nova.confスケジューラにフィルタを追加
➡ NEUTRON
> /etc/neutron/plugins/ml2/ml2_conf.ini でSR-IOV関連設定を追加
COMPUTEの設定(抜粋)
32
pci_passthrough_whitelist = {"devname": "eno49", "physical_network": “sriovnet0"}
[ml2]
mechanism_drivers = linuxbridge,sriovnicswitch
tenant_network_types = vlan
type_drivers = vlan
[linux_bridge]
physical_interface_mappings = physnet0:eno3
[sriov_nic]
physical_device_mappings = sriovnet0:eno49
[ml2_sriov]
agent_required = True
supported_pci_vendor_devs =8086:10ed
[ml2_type_vlan]
network_vlan_ranges = physnet0:2000:2400,sriovnet0:2401:2432
whitelistでPCIパススルー可能なデバイスを指定
sriovnet0にはeno49のVFが割り当られる
VMはphysnet0のeno3からmetadataを取得
physnet0,sriovnet0 それぞれにVLANIDの
レンジを割り当てる

➡ 仮想マシンのNICポート作成
> LinuxBridgeにtapするポートを作成する
> SR-IOVのVF用ポートを作成する(vnic-typeはdirect)
> 仮想マシンを起動する
仮想マシンの起動
33
$ neutron port-create ${NETWORK1} --name vm_nic1 --binding:vnic-type direct
$ neutron port-create ${NETWORK0} --name vm_nic0 --security-group ${SECGROUP}
$ nova boot --flavor m1.standard --image CentOS-7-x86_64-GenericCloud
--availability-zone rack0 --key-name dev001 --security-groups ${SECGROUP}
--nic port-id=${vm_nic0のUUID} --nic port-id=${vm_nic1のUUID} vm00

OpenStack & SR-IOV 使用上の注意
➡ PF/VFドライバの問題
> まだ枯れていないため、思わぬ不具合や機能要件を満たさない場合も…
➡ sriovnicswitch agentではnetnsの恩恵を受けられない
(A) MetadataはLinuxBridge Agent または Open vSwitch Agent経由で取得
(B) 他の手段で初期設定を投入する
➡ Security Groupが適用されない
> 仮想マシン側でiptables等の設定と管理を行う仕組みが必要
➡ PCIパススルー情報はCOMPUTEノードの設定に直書き
> 現状ではOpenStackの仕様となっている
> Mitaka Design Summitでも重要な課題としてあげられていた
34

SR-IOV利用の効果

IPフォワーディング性能
トラフィックジェネレータを利用し、4パターンで性能
を計測(RFC2544準拠)
1. ベアメタルサーバ(CentOS 7.1)
2. ベアメタルサーバ(CentOS 7.1) チューニング済み
3. 仮想マシン(vcpu x2/mem 4GB)1VM/HV (CentOS 7.1 + SR-IOV)
4. 仮想マシン(vcpu x2/mem 4GB) 10VM/HV (CentOS 7.1 + SR-IOV)
36
COMPUTE
HP DL360G9
Fujitsu RX2530M1
NIC1
NIC２
Trafﬁc
Generator
(IXIA)
NIC1
NIC２

RFC2544 PPS (bidirectional)
ActualRate(packets/s)
0
625,000
1,250,000
1,875,000
2,500,000
64 128 256 512 1024 1280 1500
Baremetal(CentOS7.1 Default) Baremetal (CentOS7.1 Tuned)
SR-IOV(CentOS7.1 Default) x 1 SR-IOV(CentOS7.1 Default) x 10
37
10Gbps

RFC2544 Throughput (bidirectional)
Throughput(Mbps)
0
2,500
5,000
7,500
10,000
64 128 256 512 1024 1280 1500
38

RFC2544 Latency(us) (bidirectional)
AverageLatency(us)
0.0
55.0
110.0
165.0
220.0
64 128 256 512 1024 1280 1500
39

まとめ
➡ 仮想マシンのネットワーク性能を向上させる手法
> SR-IOVの利点と欠点
> SR-IOVの活用方法
✓ SR-IOVを利用するための設定
✓ SR-IOVの欠点である管理の複雑さを、OpenStackを利用し
て解消する
SR-IOVにより仮想マシンのネットワーク性能は飛躍的に向上します。
商用製品では早くからサポートされていましたが、OpenStackでも
Junoでサポートされた後、日々改善されており、実用レベルまでも
う少しという状況まできています。
40

ご静聴ありがとうございました
41

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